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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Niederdruckheißgießen mit Druckverstärker sowie
einen Druckverstärker
für diese
Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen
zum Niederdruckheißgießen von
Werkstücken
sind seit ca. 40 Jahren bekannt. Sie beinhalten ein Vorratsgefäß mit einer
Spritzmasse, welches mit Druck beaufschlagt werden kann, eine Leitung
zum Fördern
der Spritzmasse aus dem Vorratsgefäß, beide in der Regel beheizbar,
sowie mindestens ein Absperrventil zwischen Vorratsgefäß und dem
zu befüllenden
Formwerkzeug. Neben Systemen, bei denen die Masse lediglich durch
den auf dem Vorratstank liegenden Druck gefördert wird, sind auch Apparaturen
gebräuchlich,
bei denen pneumatisch oder hydraulisch betriebene Kolben die Masse fördern.
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Das
Niederdruckheißgießen ist
ein Verfahren, bei dem aus sinterfähigen Pulvern (Keramik, Cermet
oder Metall sowie Gemischen davon) und einem Rindersystem bestehend
aus Paraffinen, Wachsen, Polymeren sowie in der Regel oberflächenaktiven
Substanzen zur Erhöhung
des Füllgrades
eine Suspension (so genannte Heißgießmasse) hergestellt, im flüssigen Zustand
bei Temperaturen zwischen 50–120 °C in ein
Formwerkzeug gespritzt wird und darin durch Abkühlung erstarrt. Je nach Größe des Bauteils
dauert der Abkühlungsprozess
1/10 bis ca. 30 s.
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Im
weiteren Herstellungsprozess wird der Binder ausgetrieben. Dies
geschieht bei Heißgießmassen
durch einen gekoppelten Verdampfungs-, Pyrolyse- bzw. Oxidationsprozess
mit langsamer Temperaturerhöhung
auf 200–250°C.
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Die „entbinderten" Bauteile werden
anschließend
gesintert. Gelegentlich wird der Entbinderungsprozess so gesteuert,
dass ein geringer Restbestand an Binder bis zur Sinterung im Bauteil
verbleibt um die Handhabung zu erleichtern.
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Die
Qualität
gegossener Werkstücke
hängt dabei
in hohem Maße
von dem Einfüllvorgang
in die Gießform
und dem darauf folgenden Erstarrungsvorgang ab.
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Spritztechnisch
ist folgender Aspekt bedeutsam: Praktisch alle bekannten Rindersysteme
zeigen eine starke Schwindung beim Erstarren. Von den 10–15 % Volumenabnahme
des reinen Binders bleiben in der Heißgießmasse 0,5–2 % erhalten. Eine gewisse
Erstarrungsschwindung ist in der Regel notwendig, um das Spritzteil
zu entformen.
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Insbesondere
bei größeren Bauteilen
ist es nicht günstig,
anfangs mit zu hohen Drücken
zu spritzen, weil hierbei sehr hohe Fließgeschwindigkeiten und Schergefälle erreicht
werden, die zur teilweisen Entmischung der Heißgießmasse führen können, was sich anschließend in
Rissen, Lunkern und Verformungen des Bauteils bemerkbar macht. Andererseits
wirkt sich ein hoher Druck im letzten Abschnitt der Erstarrung günstig auf
die Qualität
des Bauteils aus, weil dann die Erstarrung im Gereicht der Angussdüse fehlerfrei
erfolgt.
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Bisherige
Anlagen, die mit Druckverstärker arbeiten,
sehen deshalb eine kombinierte Förderung der
Heißgießmasse durch
pneumatischen Druck auf die im Vorratsbehälter befindliche Masse zum
prinzipiellen Füllen
der Form und einen hinzugeschalteten hydraulisch angetriebenen Kolben
vor.
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Aus
DE 199 43 153 ist eine
Gießvorrichtung mit
Nachverdichtung zum druck- und vakuumgestützten Gießen von Werkstücken bekannt.
Der Vorrichtung liegt u. a. die Aufgabe zugrunde, eine Nachverdichtung
mit hohem Nachverdichtungsdruck zu ermöglichen. Sie umfasst zwei Druckerzeugungsvorrichtungen,
wobei eine erste Druckerzeugungsvorrichtung in einem Schmelzofen,
in dem eine Schmelze angeordnet ist, einen vorbestimmten Druck einstellt,
so dass die Schmelze über
ein Steigrohr in eine Gießvorrichtung
steigt, und eine zweite Druckerzeugungsvorrichtung zur Nachverdichtung
bestehend aus einem Kolben stromaufwärts am oberen Ende des Steigrohrs
platziert ist. Der Kolben, der mit einem Druck beaufschlagt wird,
dient dabei neben der Erzeugung eines Nachverdichtungsdrucks auch
dem Verschließen
des Steigrohrs.
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Aus
DE 198 12 068 ist eine
Gießvorrichtung mit
Nachverdichtung bekannt, wobei das Verschlussmittel ein erster Kolben
ist, der stromab einer Einmündung
des Steigrohres in einem Seitenarm des Steigrohrs angeordnet ist,
wobei der Kolben wahlweise die Einmündung des Steigrohres in den
Formhohlraum verschließt
oder freigibt, und wobei die zweite Druckerzeugungsvorrichtung ein
zweiter Kolben ist, der stromab der Einmündung des Steigrohres in einem
Seitenarm eine Nachverdichtungsdruck auf die Schmelze ausübt.
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Eine ähnliche
Vorrichtung mit einem Kolben zur Nachverdichtung ist in der
EP 0 270 466 offenbart.
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Die
DE 102 33 962 offenbart
einen Aktivspeisungsadapter für
das Niederdruckheißgießen zur Trennung
von Schmelzofen und Gießform
unmittelbar nach der Formfüllung.
Der Adapter zeichnet sich dadurch aus, dass in dem gegenüber der
Atmosphäre
abgeschlossenen Schmelzweg zumindest eine von der Schmelze passierbare
Buchse angeordnet ist, die einen in ihrer Wandung angeordneten Kanal aufweist,
wobei eine Kobenanordnung passgenau in der Buchse aufnehmbar ist.
Die Kolbenanordnung lässt
sich dabei in der Buchse aus einer ersten Stellung, in der der Schmelzeweg
vom Ofen über
die Zuleitung offen ist, durch Druckbeaufschlagung in eine Stellung
bringen, in der der Kanal für
die Schmelze unterbrochen ist.
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Die
DE 198 21 419 offenbart
ein Verfahren zum steigenden Niederdruck-Gießen von Metall, insbesondere
von Leichtmetall. Dabei wird eine Gießform mit ihrem Einguss über ein
Steigrohr an einem Schmelzebehälter
angeschlossen und die darin enthaltene Schmelze unter Druck durch
das Steigrohr in die Gießform
verdrängt.
Zur Erhöhung
der Gießleistung
wird der überwiegende
Teil des Schmelzevolumens mit maximaler Geschwindigkeit in die Gießform verdrängt, dann
die Schmelzesäule
im Steigrohr abgeschert und ein verbleibendes Restvolumen mit einem
negativen Geschwindigkeitsgradienten in die Gießform verdrängt.
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Die
Nachverdichtung erfolgt oft mit wesentlich höheren Drücken als der eigentliche Gießvorgang.
Nachteilig an den Anordnungen des Standes der Technik ist jedoch,
dass ein erheblicher Teil der Vorrichtungen für diesen höheren Druck ausgelegt werden
muss.
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Ferner
können
rheologisch „heikle" Heißgießmassen – vor allem
solche, die mit sub-μm
oder nanoskaligen Pulvern hergestellt werden – eine drastische Zunahme der
Viskosität
mit steigendem Druck aufweisen. In den Vorrichtungen des Standes
der Technik ist die Nachdruckverstärkung teilweise weit von der
Angussstelle des Formwerkzeugs entfernt, so dass ein erheblicher
Druckabfall innerhalb der Apparatur auftritt und dieser Druck nicht
zur Nachverdichtung zur Verfügung
steht.
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Ferner
ist ein weiterer Nachteil, dass bei einfach zu reinigenden Anlagen
die Förderung
der Masse und der Druckaufbau während
des Spritzens unbefriedigend sind, während sich Aufbauten mit einer komplizierten
Mehrventiltechnik und 3-Wege-Anschlüssen schlecht
reinigen lassen.
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Ziel der Erfindung
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum Niedrigdruckheißgießen sowie einen Druckverstärker anzugeben,
welche es erlauben, die Vorrichtung leichter zu reinigen und die
Druckverstärkung
nahe an die Angussstelle des zu füllenden Formwerkzeugs heranzubringen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 13 sowie des Anspruchs
14 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Niederdruckheißgießen mit
einem Druckverstärker
sowie einen Druckverstärker.
Die Vorrichtung umfasst ein Steigrohr, einen Druckverstärker und
ein Formwerkzeug, das mit einer Füllmasse zu füllen ist.
In einer ersten Phase des Spritzgusszyklus presst ein Rückstellmittel
in der Zwischenkammer den Kolben des Druckverstärkers gegen einen Anschlag,
so dass Masse aus dem Steigrohr über
Bohrungen des Druckverstärkerkolbens
in das Formwerkzeug gefördert
wird. In der zweiten Phase des Spritzgusszyklus ist das Formwerkzeug gefüllt und
die Masse beginnt zu erstarren. Das Rückstellmittel wird entspannt,
worauf der Kolben des Druckverstärkers
soweit hineingeschoben wird, dass seine Bohrungen nunmehr verschlossen
sind. Sobald die Bohrungen verschlossen sind, wirkt die Anordnung
als Druckverstärker
des Steigdrucks mit einer Druckerhöhung, die ungefähr dem Verhältnis der
beiden Stirnflächen
des Druckverstärkerkolbens entspricht.
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Vorteilhaft
weist das Steigrohr einen Anschlag auf, der das Eintauchen des ersten
Kolbenabschnitts in die Gießmasse
in der ersten Stellung begrenzt. In dem Steigrohr liegt z.B. ein
Druck im Bereich von 0,12–3
Mpa an, vorzugsweise 0,2–1
Mpa, während
am Formwerkzeug ein Nachverdichtungsdruck im Bereich von 0,3–15 MPa,
vorzugsweise 0,3–6
MPa, anliegt.
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Die
Gießmasse
hat vorteilhaft eine Temperatur von 50° bis 200 C°, vorzugsweise von 70–95 °C.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass das Mittel zur Beaufschlagung des Kolbens mit
einer Kraft eine in die Zwischenkammer mündende Druckluftzuleitung umfasst,
wodurch die Zwischenkammer und der Kolben mit einer Druckluft beaufschlagbar
sind, und der Kolben unter Mitwirkung der Rückstellkraft des Rückstellmittels
von der ersten Stellung in die zweite Stellung und zurück verstellbar
ist.
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Das
Rückstellmittel
kann eine Magnetspule sein, wobei dann mindestens ein Teil des Kolbens magnetisch
ist, oder es ist eine Feder oder eine Kombination von beiden.
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Vorzugasweise
beaufschlagt zu Beginn des Spritzzyklus das Mittel zur Beaufschlagung
des Kolbens mit einer Kraft den Kolben mit einer solchen Kraft,
die vom Betrage größer oder
gleich der Kraft ist, die auf die untere Fläche des Kolbens durch den Steigdruck
im Steigrohr wirkt, aber dieser entgegen gerichtet ist.
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Die
Gießmasse
besteht im Wesentlichen aus keramischer Masse, Cermet, Metall oder
Polymeren, vorzugsweise aus keramischer Masse.
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Besonders
bevorzugt besteht die Gießmasse
aus 80–90
Gew.-% Keramikpulver und 10–20 Gew.-%
Binder.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Vorrichtung zum Niederdruckheißgießen besteht darin,
dass die Querschnittsfläche
des unteren Kolbenabschnitts einen kleineren Querschnitt aufweist als
der Querschnitt des Steigrohrs in dem Bereich beträgt, in den
der Kolben eintaucht.
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Vorteilhafterweise
wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
die Druckverstärkung
so nahe wie möglich
an die Angussdüse
herangebracht, wodurch ein unnötiger
Druckabfall bei rheologisch problematischen Heißgießmassen, die durch eine drastische
Zunahme der Viskosität
mit steigendem Druck charakterisiert sind, vermieden werden kann.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass bei einem erfindungsgemäßen Druckverstärker keinerlei
Totvolumina, die nicht während
des Füllvorgangs
durchströmt
werden, vorliegen. Dadurch kann die Masse im Vorratstank gewechselt werden
und der im Druckverstärker
und im Steigrohr befindliche Rest alter Masse kann durch die neue Masse
problemlos ohne Durchmischung beider Massen verdrängt werden.
Anlagen nach Stand der Technik mit T-Stück im Druckverstärker müssten zerlegt werden,
um die alte Masse zu entfernen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schnittbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
während
des Füllvorgangs;
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2:
Schnittbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
während
der Nachverdichtung und
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3:
Schnittbild gemäß 1 mit
einem weiteren Rückstellmittel.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Niederdruckheißgießen mit
Druckverstärker 3 während des
Füllvorgangs
mit dem Kolben 9 des Druckverstärkers 3 in einer ersten,
unteren Stellung gemäß der Erfindung. Die
Vorrichtung umfasst ein Steigrohr 5, einen Druckverstärker 3 und
ein Formwerkzeug 6, zur Befüllung mit einer Gieß masse aus
dem Steigrohr 5 über
den Druckverstärker 3.
Der Druckverstärker 3 umfasst eine
Zwischenkammer 1, in der sich eine Feder 2 befindet,
einen Kolben 9 mit einem ersten, unteren Kolbenabschnitt 10 und
einem zweiten, oberen Kolbenabschnitt 11, wobei der erste
Kolbenabschnitt 10 eine größere Querschnittsfläche als
der zweite Kolbenabschnitt 11 aufweist und die Zwischenkammer 1 den zweiten,
oberen Kolbenabschnitt 11 umgibt. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung
ein Mittel zur Beaufschlagung des Kolbens mit einer Kraft, in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
realisiert durch eine Zuleitung 7, die in die Zwischenkammer 1 des
Druckverstärkers 3 einmündet und über die
die Zwischenkammer 1 mit Kolben 9 und Feder 2 mit
einem Druck beaufschlagt werden kann.
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In
dieser ersten Phase des Spritzgusszyklus liegt in der Zwischenkammer 1 des
Druckverstärkers 3 ungefähr der Druck
an, der auch auf die Masse im Vorratsgefäß (nicht gezeigt) wirkt. Das
Vorratsgefäß befindet
sich am unteren Ende des Steigrohrs 5 und ist mit einem
Druck beaufschlagt, der die Gießmasse nach
oben befördert.
Die Feder 2 presst den Kolben 9 des Druckverstärkers 3 gegen
einen Anschlag 4, so dass die Masse aus dem Steigrohr 5 über die
Bohrungen 8 des Druckverstärkerkolbens 9 in das
Formwerkzeug 6 gefördert
wird.
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Das
Mittel zur Beaufschlagung des Kolbens mit einer Kraft beaufschlagt
den Kolben 9 bevorzugt mit einer Kraft, die vom Betrage
her genau gleich groß ist,
wie die Druckkraft infolge des Steigdrucks, die auf die untere Fläche des
Kolbens 9 wirkt, aber ihr entgegen gerichtet ist. Die Feder 2 bewirkt
dann das Verbleiben des Kolbens 9 in der unteren Position
am trichterförmigen
Ende des Steigrohrs 5, so dass die Masse mit dem auf dem
Tank liegenden Druck in das Formwerkzeug gefördert wird.
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Die
Summe aus Federkraft und der Kraft durch das Mittel zur Beaufschlagung
des Kolbens mit einer Kraft ist hierbei größer als die Steigdruckkraft.
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Dadurch,
dass die beaufschlagte Kraft reduziert wird, kann der Druckverstärker 3 während des Füllens der
Form 6 zugeschaltet werden. Damit kann die Form mit geringen
bis moderaten Drücken
von 0,2–1
MPa gefüllt
werden, welches die Entmischung der Masse vermeidet, während beim
Erstarren wesentlich höhere
Drücke
von z.B. 2–20
MPa anliegen können.
Die beschriebene Anordnung des Druckverstärkers 3 ist besonders
vorteilhaft, weil hohe Spritzdrücke
erzeugt werden können,
ohne dass die gesamte Apparatur für diese Drücke ausgelegt werden muss.
Weiterhin lässt
sich die beschriebene Apparatur problemlos reinigen.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Niederdruckheißgießen mit
Druckverstärker 3 während der
Nachverdichtung in einer zweiten Stellung des Kolbens 9.
In dieser zweiten Phase des Spritzgusszyklus ist das Formwerkzeug 6 gefüllt und
die Masse beginnt zu erstarren. Als Mittel, den Kolben mit einer
Kraft zu beaufschlagen, ist hierbei vorgesehen, die Zwischenkammer
mit einem entsprechenden Gasdruck zu füllen. Über die Zuleitung 7 wird
die Zwischenkammer 1 entspannt, worauf der Kolben 9 des
Druckverstärkers 3 infolge
des Steigdrucks der Gießmasse,
der auf die untere Fläche
des Kolbens drückt,
soweit hineingeschoben wird, dass seine Bohrungen 8 nunmehr
verschlossen sind. Die Feder 2 ist entsprechend zu dimensionieren.
Sobald die Boh rungen 8 verschlossen sind, wirkt die Anordnung
als Druckverstärker 3 mit einer
Druckerhöhung,
die ungefähr
dem Verhältnis der
beiden Stirnflächen
des Druckverstärkerkolbens 3,
also der Querschnittsfläche
des ersten und zweiten Abschnitts 10a, 11a entspricht.
Dadurch, dass die untere Querschnittsfläche 10a des ersten
Kolbenabschnitts 10 größer ist
als die obere Querschnittsfläche 11a des
zweiten Kolbenabschnitts 11, wird der Steigdruck, der auf
die untere Querschnittsfläche 10a wirkt,
verstärkt
und die besagte obere Querschnittsfläche 11a verdichtet
die Gießmasse
im Formwerkzeug 6 mit diesem verstärkten Druck nach.
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Nach
Erstarrung des Formteils und Abschaltung des Steigdrucks im Steigrohr 5 wird
der Kolben durch erneute Beaufschlagung mit einer Kraft wieder in
die erste untere Position wie in 1 befördert, worauf
das Formwerkzeug 6 entfernt werden kann.
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Die
Querschnittsfläche 10a des
ersten, unteren Kolbenabschnitts 10 weist zum Eintauchen
des Kolbens 9 in das Steigrohr 5 eine kleinere
Querschnittsfläche
auf, als der Bereich des Steigrohrs 5, in den der Kolben 9 eintaucht,
zur Positionierung ist ein Anschlag 4 vorgesehen.
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Ferner
ist die Vorrichtung bei Wechsel der Masse gut zu reinigen und sie
ist wärmetechnisch einfacher
ausgestaltet. Weitere Vorteile sind bereits weiter oben ausgeführt worden.
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Für den Fall
gemäß 3,
wo das Mittel zur Rückstellung
ein Magnet ist, kann in der Zwischenkammer 1 eine elektromagnetische
Spule 12 angeordnet sein und der Kolbenabschnitt 10 zu
der Zwischenkammer 1 hin mit magnetischen Mitteln, wie z.B. einem
Permanentmagneten 13, versehen sein. Gegebenenfalls kann
zusätzlich
noch eine Feder in der Zwischenkammer 1 angeordnet sein.
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Bevorzugt
ist die Heißgießapparatur
aus Edelstahl gefertigt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
können
bei Verarbeitung hochreiner Materialien artgleiche Werkstoffe, z.B.
hochreines Al2O3 für das Steigrohr
und die Angussdüse
und entsprechend plasmabeschichtete Stähle verwendet werden.
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Der
Druckverstärker
ist bevorzugt aus Keramik oder Hartmetall gefertigt.
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Die
Heißgießmasse besteht
dabei bevorzugt aus Binder und Pulvern von Oxid-, Nitrid- oder Carbidverbindungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
besteht die Schmelze aus 80–90
Gew.-% Keramikpulver und 10–20
Gew.-% Binder. Der Binder besteht bevorzugt in Gew.-% aus 85 % Hartparaffin,
12 % Bienenwachs, oder anderen Wachsen, z.B. Carnaubawachs, und
3 % Ölsäure, Stearinsäure etc..
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Die
Verarbeitung von Heißgießmassen
erfolgt typisch zwischen 50 und 200 °C, bevorzugt zwischen 70–95 °C.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind das stromab zu Steigrohr angeordnete Vorratsgefäß d.h. der
Druckbehälter
(nicht gezeigt), das Steigrohr sowie das Ventil (nicht gezeigt)
beheizt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist auch die „Angussplatte" (unterhalb des Formwerkzeugs 6 mit
Angussdüse) beheizt.
Bevorzugt wird allein eine Düse
in der Angussplatte beheizt. Generell sind alle Teile der Anlage
beheizt, die in Kontakt mit der Heißgießmasse sind.
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Die
Vorrichtung ist bevorzugt für
Drücke
bis 1,2 MPa ausgelegt, der Druckbehälter für 0,2–1,2 MPa (12 bar) und die Angussdüse für < 12 Mpa.
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Beim
Arbeiten mit nanoskaligen Pulvern wird die Herstellung der Heißgießmasse immer
schwieriger, so dass man teilweise mit Benzin oder Heptan verdünnte Ansätze verwendet.
Daher ist es wichtig, explosionsgeschützte Varianten einer Heißgießvorrichtung
zu entwickeln. Bei einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind keinerlei elektrische Schalter oder Leitungen notwendig. Die Druckverstärkung kann
durch Be- und Entlüften der Zwischenkammer
erreicht werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist demnach
die Bereitstellung einer explosionsgeschützten Ausführung einer Heißgießvorrichtung.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es
möglich,
durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale
weitere Ausführungsvarianten
zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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- 1
- Zwischenkammer
- 2
- Mittel
zur Rückstellung
z.B. Feder
- 3
- Druckverstärker
- 4
- Anschlag
- 5
- Steigrohr
- 6
- Formwerkzeug
- 7
- Zuleitung
- 8
- Bohrung
- 9
- Kolben
- 10
- Erster
Kolbenabschnitt
- 10a
- Untere
Querschnittsfläche
des ersten Kolbenabschnitts
- 11
- Zweiter
Kolbenabschnitt
- 11a
- Obere
Querschnittsfläche
des zweiten Kolbenabschnitts
- 12
- Spule
- 13
- Permanentmagnet